Rabbit3000與HElOlO 圖像傳感器構成的網(wǎng)絡相機
1 系統(tǒng)構成
網(wǎng)絡相機系統(tǒng)結構如圖l所示，MEl010是10萬像素的CMOS圖像傳感器芯片，Rabbit3000模塊基于Rab-bit3000單片機。該單片機基于Z80內(nèi)核，最高時鐘頻率可達54MHz，有6個高速串行口和56個I／O口，直接驅動512KB SRAM、512KB Flash，通過以太網(wǎng)接口進行網(wǎng)絡傳輸時．TCP傳輸速率可達到6Mb／s。美國Z-World公司提供的Dynamic C開發(fā)工具提供了TCP協(xié)議棧函數(shù)支持， 以及C、匯編混合編程的功能， 非常適合網(wǎng)絡應用。
網(wǎng)絡相機實現(xiàn)以下功能： 直接驅動MEl010 CMOS攝像芯片攝像，并進行圖像處理，同時內(nèi)置一個微型WEB服務器，用戶可以在因特網(wǎng)上訪問WEB頁。通過CGI接口進行靜態(tài)圖像拍攝， 如增加SOCKET接口，也可通過Activex控件拍攝動態(tài)圖像?？蛇x擇160×120彩色、320×240黑白兩種圖像格式。
2 CMOS攝像芯片的控制
2.1 MElO1O的結構及拍攝
南京微盟電子的MElOlO CMOS圖像傳感芯片最大可拍攝352×288的彩色及黑白圖像，內(nèi)部功能框圖如圖2所示。
該芯片的工作原理：通過Samp、SampG腳進行采樣控制，即拍攝圖像。拍攝后該芯片把圖像各點的模擬電壓存入緩沖區(qū)中，形成一個最大352×288的像素數(shù)據(jù)陣列，單片機可以通過改變行列地址ADR(8..O)逐點訪問圖像緩沖區(qū)。該圖像緩沖實際上是把每個像素的光感應電壓存入一個小電容中，通過在ADC Clk腳輸入時鐘脈沖，MElO1O在ADCclk的低電平期間進行模數(shù)轉換，上升沿輸出。然后單片機即可以從數(shù)據(jù)口ADCount(7～0)中讀出對應行、列地址的像素數(shù)據(jù)。其中行與列地址共用9條地址線，由XYSEL腳產(chǎn)生的脈沖切換。
具有圖像緩沖區(qū)是MElO1O最大的特點，一般的CMOS傳感器都必須用CPLD將圖像數(shù)據(jù)以很快的速度送人RAM存儲，通常為13MB／s左右，再由單片機來讀取，因而接口比較復雜。MElO1O的這一特點使得Rab-bit3OOO可以直接讀取，結合Rab_bit3OOO強大的網(wǎng)絡功能，從而構成了具有特色的網(wǎng)絡相機。
拍攝時序如圖3所示。
2.2圖像的讀取
使Rabbit3OOO單片機的PEl，PF(7～O)與MEIOIO的地址線ADR(8~O)、PA(7～O)與數(shù)據(jù)線ADcount(7~O)相連，PB7與模數(shù)轉換時鐘ADCclk相連?，F(xiàn)在以讀取16O×1 2O彩色圖像的一行為例，介紹讀取過程，程序用匯編實現(xiàn)，以加快圖像讀取速度。讀取圖像時序如圖4所示。
#asm debug
readoneline：： ；讀入一行數(shù)據(jù)
；讀取到linbuf中
1d hl，linebuf ;指針hl指向linebuf
ld de，16O ；一行16O像素
ld C,
rp _read：
：ADC clk
ioi lda，(PBDR)；產(chǎn)生ADC時鐘
res O，a
ioi ld(PBDRl，a
set O，a
iOi ld(PBDR)，a
ioi lda，(PADR)
；從PA讀入數(shù)據(jù)
ld (hl)，a
；讀入數(shù)據(jù)到linbuf，指針hl指向llnbuf的對應位
inc hl ；指針下移
inc c ；計數(shù)器加1
ld a，c
ioi ld(PFDR)，a；地址加1
dec de ；讀完160像素
jr nz，rp_read ：否則讀下一個
ret
#endasm
3 圖像處理
3.1 FPN的消除
由于CMOS圖像傳感器會產(chǎn)生固有噪聲FPN(Fixed Pattern Noise)，MElO1O要求用軟件來完成噪聲消除處理，否則拍出的圖像表面將疊加許多細碎的色點，這些噪聲點的位置大小顏色是固定的，由CMOS圖像芯片及電路本身所決定。
FPN消除的方法是在正式拍攝前，先拍攝一張曝光時間接近于O的圖像，由于FPN的存在，雖然感光接近于O，但該圖像并非是均勻的全黑照片，而是會出現(xiàn)些彩色噪聲點。將此圖像存在內(nèi)存中，作為參照，照一張圖像，都與這張參照圖像相減，從而消除FPN.
3.2彩色插值
讀出并經(jīng)FPN消除后的數(shù)據(jù)實際上是RGB陣列,MN1O1O通過在感光面上蒙一層RGB彩色濾鏡(可選擇,若無濾鏡即為黑白芯片)實現(xiàn)彩色功能,濾鏡排列如圖5所示,這是一般圖像傳感器使用的Mosaic Bayer濾鏡，從O行算起，偶數(shù)行排列為RGRGRG…… 奇數(shù)行排列為GBGBGB……
因此每一點的數(shù)據(jù)只代表該點的一種顏色光強度值(灰度值)，還需根據(jù)相應算法進行彩色化插值處理。利用周邊像素的信息，“猜測”算出該點“應該”具有的另外兩種顏色光強度，從而得到完整的RGB值，構成24位真彩色圖像。這種以彩色插值的方法來達到“趨近”真彩色的處理方式，其圖像質量雖然不如使用真正(R、G、B)三組像素型的彩色攝像技術，但已經(jīng)可以滿足通常的圖像檢測需要。
算法示例如下：
設i，j分別為行數(shù)和列數(shù)，當Ri，j有i％2==O＆＆j％2==0時，算法為
R=Ri，j
G=(Gri，j-1+Gri，j+l十Gbi-1，j+Gbi+l，j)／4
B=(Bi-i，j-1+Bi—I，j+1+Bi+l，j-1+Bi+l，j+1)／4
對應的Rabbit3OOO的C程序為form_rfgb(){
…
}
3.3嵌入圖像到HTTP服務器
經(jīng)過RGB插值合成后已經(jīng)可以得到真彩色圖像，但完整的圖像處理還需要進行曝光控制，γ較正，白平衡調整等。曝光控制算法主要是計算各像素亮度的平均量。自平衡調整則是由于CMOS傳感器、人眼對RGB三顏色光的靈敏度不同，所以需對R、G、B三種像素的值乘以比例因子加以較正。Υ較正則主要是調整對比度。
獲得完整的圖像數(shù)據(jù)后，加入BMP文件頭，形成newfile，C程序代碼如下：
void makefile(){
char newfilesize[4]；
newfilesize[0]=0x3a；文件大小
newfilesize[1]=Oxe5；
newfilesize[2]=O；
newfilesize[3]=O；
root2xmem(newfile，newfilesize，4)；設置文件大小
sspec_addxmemfile(”／databmp”，newfile，SERVE_RHTTP)；嵌入HTTP服務器
4 HTTP服務器的實現(xiàn)
通過基于Rabbit3OOO的模塊實現(xiàn)HTTP服務器并不難，只需使用網(wǎng)頁設計軟件如Dreamwave、Frontpage等，設計一個網(wǎng)頁，然后導出到Rabbit3OOO模塊的HTTP服務器中即可。設網(wǎng)頁文件名為index.html，網(wǎng)頁中含有圖片ledon.gif，存放的目錄是samples／RCM32OO／pages，使用以下指令將文件導出到HTTP服務器中。
#Ximport”samples／RCM32OO／pages／index.shtml" index html
#Ximport”samples／RCM32OO，pages／ledon.gif"ledon_gif
此外還需聲明HTTP服務器中的文件類型HttpType http_types[]及設置HTTP服務器可訪問文件、變量、函數(shù)的結構類型HttpSpec http_flashspec[]。
主程序中運行HTTP服務器的相關代碼如下：
main(){
sock__init()；
while(1){
HTTP_server()；
}
5 通過CGl接口控制拍攝
在HttpSpec http_flashspec[]中加入以下定義：
{ HTTPSPEC_FUNCTION， ”／get_photocgi”，O，get_hototoggle，O，NULL，NULL}。
在網(wǎng)頁中嵌入按鈕圖標，假設為button．gif，使其鏈接到”／get_photocgi”，點擊網(wǎng)頁上的button按鈕時，程序將跳轉執(zhí)行以下函數(shù)：
int get_hototoggle(HTTPState*state){
get_hoto() ;拍攝圖像
cgi_redirectto(state，’data html’)；跳轉到data.html網(wǎng)頁中，
；(該網(wǎng)頁含所拍攝的圖像文件)
returnO：
}
即可看到所拍攝的圖像。
本文以拍攝160×120分辨率的彩色圖像為例介紹。由于Rabbit3000單片機直接驅動的內(nèi)存有限， 當分辨率更高，如320×240時， 一般建議存儲黑白圖像， 可以減少文件大小。
結 語
結合基于互聯(lián)網(wǎng)絡的圖像技術是報警系統(tǒng)、工業(yè)控制、智能家居發(fā)展的一個熱點，主要有基于8位單片機、DSP及ARM的圖像處理方案。 其底層的圖像處理及CMOS圖像芯片的控制有諸多相通之處。盡管基于DSP及ARM具有運算速度上的優(yōu)勢，但由于Rabbit3000單片機具有強大的網(wǎng)絡支持、加密及I／0控制、串行通信、數(shù)據(jù)采集功能，結合MEl0l0的簡單單片機接口，仍然具有鮮明的特點，適用于對實時圖像傳輸要求不高的場合；并且，如果結合高性能的圖像芯片，如具有MPEG4壓縮功能的偉思GO7007也可以做到實時圖像傳輸。本文所介紹的內(nèi)容基于作者目前從事的智能小區(qū)項目， 已成功研制出樣機。
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